7. Rayonnement solaire
7.3. Principaux acteurs de la réponse aux UV
7.3.1. Dommages de l’ADN induits par les UV
Lorsque le rayonnement ultraviolet atteint la peau, son énergie peut être absorbée (effet direct). Il existe une variété de molécules dans la peau qui peuvent absorber cette énergie et être chimiquement modifiés, la principale molécule absorbant les UV est l'ADN lui-même. Au fil du temps, l'absorption des rayonnements ionisants par l'ADN d'une cellule entraîne l'accumulation de mutations génétiques et, éventuellement, la transformation maligne. Les UV peuvent aussi induire la production des ROS capables à leur tour d’endommager l’ADN (effet indirect) (Maverakis et al., 2010).
Parmi les dommages de l’ADN induit directement par les UV. On peut distinguer cinq catégories :
A- Altérations des bases des nucléotides : Les CPD (cyclobutane-pyrimidine dimers) et 6-4 PP [pyrimidine-pyrimidone (6-4) photoproducts] sont les dommages directs les plus communs. Les 6-4 PP sont 5 à 10 fois moins répandus que les CPD (Tornaletti et Pfeifer, 1996). Les bases peuvent être hydroxylées et libérer la 7,8-dihydro-8-oxo-2’désoxyguanosine (8-oxo-dG), marqueur de ce processus. De plus, des pertes de bases peuvent aussi se produire (Ravanat et al., 2001).
B- Ruptures de brins d’ADN. On distingue deux types de ruptures de brins :
- les cassures simple brin (CSB) sont produites par rupture des liaisons phosphodiester.
- les cassures double brin (CDB), chacune d’elles étant située en vis-à-vis sur un brin différent de l’ADN. Les CDB sont les lésions les plus graves et une large proportion ne peut être réparée par la cellule irradiée. En cas de non réparation, elles sont souvent létales pour la cellule.
Le nombre de cassures (CSB et CDB) peut être corrélé à la dose d’irradiation et à la sensibilité cellulaire (Matsumoto et al., 1991 ; Dikomey et al., 1998 ; Rapp et Greulich, 2004).
C- Formation de pontages entre brins d’ADN ou avec des protéines : Les radiations peuvent former des pontages intra ou inter-brins sur l’ADN, par fusion entre deux ruptures de brins. Ces ponts d’ADN aboutissent à des aberrations chromosomiques. Les radiations induisent également l’association covalente de protéines avec l’ADN (Jenner et al., 1998). Cette association ADN/protéines implique surtout la thymine et la tyrosine mais parfois d’autres bases. De plus, certains composés, comme le malonyldialdéhyde provenant de la peroxydation de la membrane plasmique après irradiation (Morliere et al., 1995 ; Perez et al., 1995), peuvent également induire ces pontages (Cheeseman, 1993). Ces ajouts de protéines modifient la structure de la molécule et donc son fonctionnement.
D- Sites de dommages multiples (LMDS locally multiply damages sites) : Les LMDS consistent en un grand nombre de lésions simples (dommages des bases, CSB, CDB et associations ADN/protéines ou ADN/ADN), produites à proximité les unes des autres, sur une courte séquence de la molécule d’ADN (Goodhead, 1994 ; Sutherland et al., 2001). Ces associations ou « clusters » de dommages sont la conséquence d’une accumulation de plusieurs lésions sublétales individuelles. Plus elles sont complexes, moins elles sont réparables par la cellule.
E- Aberrations chromosomiques : Les aberrations chromosomiques induites par les radiations sont de différents types : translocations, délétions, inversions, anomalies génétiques (anneaux dicentriques, centriques et acentriques). Elles proviennent soit de la liaison de deux extrémités de chromosomes résultant surtout d’une CDB (pontages), soit plus rarement de l’association d’une extrémité chromosomique libre avec d’autres molécules empêchant la réparation (Kemp et Jeggo, 1986). La nature des réarrangements chromosomiques produits dépend de la phase du cycle cellulaire dans laquelle se trouve la cellule au moment de l’irradiation responsable de l’aberration chromosomique. Si l’irradiation a lieu après la synthèse d’ADN, une seule chromatide est affectée (aberration chromatidienne).
Les lésions de l’ADN sont détectées par différentes protéines qui le surveillent. Ces protéines sont : la protéine ATM telangiectasia-mutated), la ATR
(Ataxia-telangiectasia-RAD3-related) et DNA-PK (phosphatidylinositol 3-kinase-like kinases). Après avoir détecté les lésions de l’ADN, ces protéines peuvent activer p53 (une protéine suppresseur de tumeur que l’on nomme protéine gardienne de génome), suite à l’exposition aux irradiations.
7.4. Espèces réactives de l’oxygène et réponse aux UV
7.4.1. Introduction
Du fait de son électronégativité, la molécule O2 est particulièrement sensible aux transferts d’électrons à partir de divers constituants cellulaires. Ces transferts peuvent aboutir à une réduction partielle de l’oxygène moléculaire, générant des dérivés hautement réactifs, les espèces réactives de l’oxygène (ROS). Parmi ces espèces susceptibles de se former dans les cellules, il convient de distinguer un ensemble restreint de composés radicalaires qui jouent un rôle particulier en physiologie appelés radicaux primaires. Les autres radicaux libres, dit radicaux secondaires, se forment par réaction de radicaux primaires sur les composés biochimiques de la cellule. Ces radicaux primaires dérivent de l’oxygène, par des réductions à un électron comme l’anion superoxide O2–• et le radical libre hydroxyle OH•, ou de l’azote comme le monoxyde d’azote NO• (Valko et al., 2007). D’autres dérivés de l’oxygène appelés aussi espèces réactives de l’oxygène, tels que l’oxygène singulet 1O2, le peroxyde d’hydrogène (H2O2) ou le nitroperoxyde (ONOO-), ne sont pas des radicaux libres, mais sont aussi réactifs et peuvent en être les précurseurs (Valko et al., 2007) (Figure 19).
Figure 19. Origine des différents radicaux libres oxygénés et autres espèces réactives de l’oxygène impliquées en biologie (Valko et al. 2007). L’oxygène singulet (1O2) (O2 à l’état non fondamental) est très instable et extrêmement réactif. Sa durée de vie est très limitée. L’anion superoxyde (O2–•) est peu réactif. Sa charge électrique le rend incapable de diffuser à travers les membranes biologiques. En dépit d’une réactivité assez faible, l’anion superoxyde présente des dangers pour les structures biologiques réduisant des métaux comme le fer ou le cuivre qui deviennent réactifs. Le peroxyde d’hydrogène (H2O2) peut être généré soit par dismutation de l’anion superoxyde O2–• + O2–• + 2H+ → H2O2 + O2, soit par réduction univalente de l’anion superoxyde : O2–• + e– + 2H+ → H2O2 ou par
réduction bi-électronique de l’oxygène catalysée par des enzymes comme la glucose oxydase O2 + 2e– + 2H+→ H2O2. Le peroxyde d’hydrogène est potentiellement toxique car sa faible réactivité, associée à sa capacité de traverser les membranes biologiques, font qu’il peut se retrouver à une grande distance de son lieu de synthèse. Le radical hydroxyle (OH•) est généré dans les cellules soit par clivage réducteur du peroxyde d’hydrogène H2O2 + H+ + e– → H2O + OH·, soit par coupure homolytique du peroxyde d’hydrogène H2O2 → OH• + OH•, soit par décomposition du peroxyde d’hydrogène, catalysée par des métaux, en
particulier le fer ou le cuivre (réaction de Fenton) H2O2 +Fe2+ (Cu+) → OH•
+ OH– + Fe3+ (Cu2+) ou par interaction de l'eau oxygénée avec l'ion superoxyde (réaction d’Haber-Weiss) HOOH + O2–•→ OH• + OH– + O2. Il est le plus puissant réactif avec tous les substrats de son entourage et représente donc une source potentielle importante de lésions moléculaires, cellulaires et tissulaires.
7.4.2. Production physiologique des radicaux libres dans l’organisme et
en réponse aux UV
Les radicaux libres étant très réactifs, ils ont une durée de vie extrêmement courte. Il est donc difficile d'étudier leur métabolisme, c’est aussi pour cela que les connaissances sur leur production dans des conditions physiologiques et pathologiques sont encore restreintes. La formation de radicaux libres s'effectue au niveau de divers organites cellulaires (Lambeth, 2004 ; Valko et al., 2007) :
- les mitochondries : la réduction de l'oxygène moléculaire par les cytochromes de la chaîne respiratoire s'accompagne d'une formation en parallèle d'environ 2% d'ions superoxyde, d'eau oxygénée et éventuellement de radicaux OH.
- le cytosol : diverses réactions enzymatiques peuvent produire des radicaux superoxyde et de l'eau oxygénée. La xanthine oxydase (responsable de la transformation de l'hypoxanthine en xanthine), l'aldéhyde oxydase et la galactose oxydase sont à l'origine de la formation de radicaux superoxyde O2–•.
D'autres enzymes interviennent dans la production de radicaux libres, particulièrement dans les cellules immunitaires comme les monocytes-macrophages et les polynucléaires neutrophiles pour détruire les micro-organismes ou des macromolécules étrangères, en particulier par le complexe oxydo/réductase membranaire appelé NADPH oxydase.
7.4.3. Rôle des ROS dans la réponse cellulaire aux UV
Dans la régulation de la réponse cellulaire, les ROS agissent soit en oxydant les macromolécules biologiques (protéines, lipides et acides nucléiques) soit en jouant le rôle de second messager qui va modifier l’activité de certains facteurs de transcription.
7.4.3.1. Effets oxydatifs des ROS
Les radicaux libres étant très réactifs réagissent avec les premières molécules qu’ils rencontrent et particulièrement les lipides, les acides nucléiques et les acides aminés. Les acides gras polyinsaturés, constituants principaux des membranes cellulaires (nucléaires, mitochondriales ou lysosomales), sont la première cible des ROS. Sans entrer dans le détail, HO• peut déclencher une réaction en chaîne de peroxydation lipidique en extrayant un atome H à un groupement méthylène d'un acide gras insaturé par exemple :
RH + HO•→ R•+ H2O R•+ O2 → ROO•
ROO•+ RH→ ROOH + R•
Les acides gras peroxydés altèrent la perméabilité membranaire, qui peut mener jusqu'à la désintégration de la membrane. De la même façon, les aminoacides d'une protéine, peuvent subir des phénomènes de carbonylation (>C=O), rendant les protéines ainsi modifiées sensibles aux protéases. Enfin les bases de l'ADN peuvent également être oxydées (cause de mutations) aboutissant à l'arrêt de réplication de l'ADN.
7.4.3.2. ROS comme second messager
D’autres travaux ont montré que les ROS pouvaient moduler l’activité de certains facteurs de transcription. Schreck et ses collègues (1992) ont d’abord montré que certains facteurs de transcription de la famille NF- B peuvent être activés par les agents oxydants et aussi par les radiations ionisantes. Plus tard, il a été montré que plusieurs facteurs de transcription et des protéines kinases possèdent des éléments sensibles à l’oxydo-réduction (Valko et al., 2007). Les plus connus parmi ces facteurs activés par une irradiation sont :
NF-B, AP-1 (Activator Protein-1) (Bickers et Athar, 2006), AP-2 (Grether-Beck et al., 1996), Sp1 (Wu et al., 1996), NF-1 (Nuclear Factor-1) (Bandyopadhyay et Gronostajski, 1994), p53
(Parks et al., 1997) et USF (Upstream Stimulatory Factor) (Pognonec et al., 1992). Les ROS peuvent également activer HIF-1α après irradiation.